Генераторы псевдослучайных последовательностей

На практике одной из важнейших является следующая задача. Исходя из выше перечисленных и других свойств РРСП, необходимо определить, является ли конкретная последовательность реализацией РРСП. В дальнейшем, для краткости изложения, реализацию РРСП будем называть просто случайной последовательностью.

Конструктивний підхід к определению случайной последовательности предложили Блюм, Голдвассер, Микалли и Яо. Их определение считает последовательность случайной, если не существует полиномиального (вероятностного) алгоритма, который сможет отличить ее от чисто случайной. Такая последовательность называется полиномиально неразличимой от случайнойилипсевдослучайной.

Этот подход позволяет использовать для формирования псевдослучайных последовательностей (ПСП) детерминированные алгоритмы, реализуемые конечными автоматами. Хотя с математической точки зрения такие последовательности не случайны, так как они полностью определяются начальным заполнением, тем не менее, их практическое использование не дает никаких преимуществ криптоаналитику благодаря “неразличимости” со случайными. Поскольку этот подход представляется более конструктивным, остановимся на нем детальнее.

Случайные последовательности в смысле последнего определения также называют “случайными для всех практических применений”. Генераторы таких последовательностей, называют криптографически надежными (cryptographically strong) или криптографически безопасными (cryptographically secure). Псевдослучайность в данном случае есть не только свойство последовательности (или генератора), но и свойство наблюдателя, а точнее его вычислительных возможностей.

Для ПСП доказаны два важных утверждения:

1. Последовательность является псевдослучайной тогда и только тогда, когда она непредсказуема, т.е. выдерживает тестирование очередным битом. Это означает, что если даже известна часть последовательности любой длины, то при неизвестных начальном заполнении генератора и параметрах алгоритма генерации для получения очередного бита нельзя предложить алгоритм, существенно лучший простого угадывания или подбрасывания монеты.

2.Криптографически сильные генераторы существуют в том и только в том случае, если существуют легко вычислимые функции, но вычислительно сложно обратимые (односторонние функции - one-way functions). В этом случае каждому генератору ПСП можно поставить во взаимнооднозначное соответствие некоторую одностороннюю функцию, которая зависит от определенных параметров.

Наиболее простым датчиком псевдослучайных чисел является линейный конгруэнтный генератор (ЛКГ), который описывается рекуррентным уравнением вида X_n=(aX_n-1+b) mod N, где X₀ – случайное начальное значение, а – множитель, b – приращение, N – модуль.

Период выходной последовательности такого генератора не превышает N, максимальное значение достигается при правильном выборе параметров a,b, N, а именно, когда

· числа N и b взаимнопросты: НОД(N,b)=1);

· a-1 кратно любому простому p, делящему N;

· a-1 кратно 4, если N кратно 4.

В [6] приведен список констант для ЛКГ, обеспечивающих максимальный период последовательности и, что не менее важно, соответствующие последовательности проходят статистические тесты.

Для реализации ЛКГ на персональных компьютерах с учетом их разрядной сетки нередко используется модуль N=2³¹-1»2.14×10⁹. При этом наиболее качественные статистические свойства ПСП достигаются для константы a=397204094.

По сравнению с другими видами генераторов ПСП данный вид обеспечивает высокую производительность за счет малого числа операций для создания одного псевдослучайного бита.

Недостатком ЛКГ в плане их использования для создания поточных шифров является предсказуемость выходных последовательностей. Эффективные атаки на ЛКГ были предложены Joan Boyar, ей принадлежат методы атак на квадратичные ‑ X_n=(aX_n-1²+bX_n-1+c)modN и кубические ‑ X_n=(aX_n-1³+bX_n-1²+cX_n-1+d)modN генераторы.

Другие исследователи обобщили результаты работ Boyar на случай общего полиномиального конгруэнтного генератора. Stern и Boyar показали, как взломать ЛКГ, даже если известна не вся последовательность.

Wishmann и Hill, а позже Pierre L’Ecuger изучили комбинации ЛКГ. Результаты не являются более стойкими криптографически, но имеют большие периоды и лучше ведут себя на некоторых критериях случайности.

Регистры сдвига с линейной обратной связью (Linear Feedback Shift Registers - LFSR) включают собственно регистр сдвига и схему вычисления функции обратной связи (tap sequence) – см. рис. 12:

Поток бит

n

∙∙∙

2

1

Рис. 2. Регистр сдвига с линейной обратной связью (LFSR)

На схеме содержимое регистра ‑ последовательность бит – сдвигается с приходом тактового импульса (clock pulse) на один разряд вправо. Бит самого младшего разряда считается выходом LFSR в данном такте работы. Значение самого старшего разряда при этом является результатом сложения по mod2 (функция XOR) разрядов обратной связи.

Теоретически, n-битный LFSR может сгенерировать псевдослучайную последовательность с периодом 2ⁿ-1 бит, такие LFSR называются регистрами максимального периода. Для этого регистр сдвига должен побывать во всех 2ⁿ-1 внутренних состояниях (2ⁿ-1, т.к. нулевое заполнение регистр сдвига, вызовет бесконечную последовательность нулей).

Напомним, что полином называется неприводимым, если он не может быть выражен как произведение других полиномов меньшей степени отличных от 1 и самого себя.

Примитивный полином степени n – это неприводимый полином, который делит ,но не делит x^d+1 для любого d: (2^n-1│d)

Теорема (без доказательства): Для того, чтобы LFSR имел максимальный период, необходимо и достаточно, чтобы полином, образованный из элементов обратной связи (tap sequence) плюс единица был примитивным полиномом по модулю 2. (на самом деле, примитивный полином – это генератор в данном поле).

Список практически применимых примитивных полиномов приведен в [3].

Например, примитивным полиномом является x³²x⁷x⁵x³x²x1. Запись (32,7,5,3,2,1,0) означает, что, взяв 32-битный регистр сдвига и генерируя бит обратной связи путем сложения по mod2 7-го, 5-го, 3-го, 2-го и 1-го бита, мы получим LFSR максимальной длины (с 2³²-1 состояниями).

Заметим, если р(х) – примитивный полином, то xⁿ×p(1/x) – также примитивный.

Например, если полином (a,b,0) примитивный, то (a,a-b,0) – примитивный. Если полином (a,b,c,d,0) примитивный, то и (a,a-d,a-c,a-b,0) – примитивный и т.д.

Примитивные трехчлены особенно удобны, т.к. складываются только 2 бита регистра сдвига, но при этом они и более уязвимы к атакам.

LFSR – удобны для технической реализации, но имеют неприятные свойства. Последовательные биты линейно зависимы, что делает их бесполезными для шифрования. Даже если схема обратной связи неизвестна, то достаточно 2n выходных бит, чтобы определить ее.

Большие случайные числа, сгенерированные из последовательных битов LFSR, сильно коррелированы и иногда даже не совсем случайны. Тем не менее, LFSR достаточно часто используются в качестве элементов более сложных алгоритмов формирования шифрующей ключевой последовательности.

Существует еще ряд генераторов ПСП (в т.ч. генераторы чисел Фибоначчи), которые по ряду причин не нашли широкого применения в криптографических системах. Наиболее эффективные решения были получены на основе составных генераторов.

Идея построения составного генератора базируется на том факте, что комбинация двух и более простых генераторов ПСП, в случае правильного выбора объединяющей функции (в т.ч. mod 2, mod 2³²-1 и др.), дает генератор с улучшенными свойствами случайности, и, как следствие, с повышенной криптографической стойкостью.

В случае создания криптографически стойкого генератора ПСП просто решается вопрос создания потоковых шифров. Выход таких ПСП неотличим (точнее, должен быть неотличим) от РРСП. Два генератора всегда могут быть синхронно запущены из одного вектора начального состояния, который намного короче передаваемого сообщения, что выгодно отличает эту схему от шифра Вернама.

Известно 4 подхода к конструированию соответствующих генераторов:

1) системно-теоретический подход;

2) сложностно-теоретический подход;

3) информационно-теоретический подход;

4) рандомизированный подход.

Эти подходы различаются в своих предположениях о возможностях криптоаналитика, определении криптографического успеха и понятия надежности.

В случае системно-теоретического подхода криптограф создает генератор ключевого потока, который обладает поддающимися проверке свойствами, включая длину периода выходной последовательности, статистическое распределение потока бит, линейную сложность преобразования и т.д. С учетом известных методов криптоанализа криптограф оптимизирует генератор против этих атак.

На основе такого подхода Рюппелем сформулирован следующий набор критериев для потоковых шифров:

1. Большой период выходной последовательности, отсутствие повторений;

2. Высокая линейная сложность, как характеристика нашего генератора через регистр LFSR минимальной длины, который может сгенерировать такой же выход;

3. Неотличимость от РРСП по статистическим критериям;

4. Перемешивание: любой бит ключевого потока должен быть сложным преобразованием всех или большинства бит начального состояния (ключа);

5. Рассеивание: избыточность во всех подструктурах алгоритма работы генератора должна рассеиваться;

6. Критерии нелинейности преобразований: в соответствии с некоторой метрикой расстояние до линейных функций должно быть достаточно большим, критерий лавинообразности распространения изменений в случае изменения одного бита и др.

Практика подтверждает целесообразность применения указанных критериев не только для анализа и оценки потоковых шифров, созданных в рамках системно-теоретического подхода, но и для любых потоковых и блочных шифров.

Основная проблема подобных криптосистем заключается в том, что для них трудно доказать какие-либо факты об их криптостойкости, так как для всех этих критериев не была доказана их необходимость или достаточность. Потоковый шифр может удовлетворять всем этим принципам и все-таки оказаться нестойким, т.к. стойкость по отношению к заданному набору криптоаналитических атак ничего не гарантирует.

Примером удачного построения составного генератора с точки зрения повышения линейной сложности является каскад Голмана (рис. 3).

Каскад Голмана включает несколько регистров LFSR, причем тактирование каждого следующего LSFR управляется предыдущим так, что изменение состояния LFSR-(k+1) в момент времени t происходит, если в предыдущем такте t-1 выход LFSR-k равняется 1, и LFSR-(k+1) не меняет свое состояние в противном случае.

Если все LFSR – длины l, то линейная сложность системы с n регистрами равна l×(2^l-1)^n-1.

LFSR-1

X(t)

LFSR-2

LFSR-3

Такт

Рис. 3. Каскад Голмана

Типовым решением для построения составного генератора может быть схема чередующегося старт-стопного генератора (Alternating Stop-and-Go Generator).

В этом генераторе (рис. 4) используется три регистра LFSR различной длины. LFSR-2 меняет состояние, если выход LFSR-1 равен 1; LFSR-3 меняет состояние в противном случае. Результат генератора есть сложение по mod 2 выходов регистров LFSR-2, LFSR-3.

LFSR-1

X(t)

LFSR-2

LFSR-3

Такт

Рис. 4. Чередующийся старт-стопный генератор

У этого генератора большой период и большая линейная сложность.

Применяя сложностно-теоретический подход, криптограф пытается доказать стойкость генератора используя теорию сложности. Основу решений при этом подходе составляют генераторы, базирующиеся на понятии однонаправленной функции.

Однонаправленную функцию f(x): D→R легко вычислить для всех x Î D, но очень трудно инвертировать для почти всех значений из R. Иначе, если V – вычислительная сложность получения f(x), а V^* – вычислительная сложность нахождения f^-1(x), то имеет место неравенство V^*>>V. Нетрудно видеть, что кандидатом на однонаправленную функцию может быть степенная функция в некотором конечном поле f(x)=a^x, где a,xÎGF(q) – поле Галуа из q элементов.

Нетрудно видеть, что умножение, за счет свойства ассоциативности, можно выполнить за меньшее, чем число x-1 шагов. Например, a⁹=a×((a²)²)², что позволяет вычислить искомую степень вместо восьми за четыре шага (вначале a²=a^× a, затем a⁴=a² a², a⁸=a⁴ a⁴ и, наконец, a⁹=a⁸ a).

Обратная операция – нахождение показателя степени по значению степенной функции (логарифмирование) ‑ в конечном поле пока не может быть решена лучше, чем с помощью оптимизированных методов перебора возможных вариантов. В случае большого размера поля (порядка 2¹⁰²⁴)эта задача при современном развитии компьютерной техники вычислительно неразрешима.

Примером соответствующего генератора может алгоритм RSA.Пусть параметр N=p×q, где p,q – простые числа, начальное значение генератора x₀N, e: НОД(e,(p-1)×(q-1))=1.

Результат генератора – наименьший значимый бит x_i+1. Стойкость этого генератора эквивалентна стойкости RSA. Если N достаточно большое, то генератор обеспечивает практическую стойкость.

Другой пример генератора, построенного на сложностном подходе, предложен Blum, Blum и Shub (BBS). На данный момент это один из простых и эффективных алгоритмов. Математическая теория этого генератора – квадратичные вычеты по модулю n.

Выберем два больших простых числа p и q, дающих при делении на 4 остаток 3. Произведение npq назовем числом Блюма. Выберем х: НОД(n,x)=1. Найдем начальное значение генератора: x₀=x² mod n.

Теперь i-ым псевдослучайным числом является наименьший значимый бит x_i, где x_i=x²_i-2 mod n.

Заметим, что для получения i-го бита, не требуется вычисления (i-1) состояния. Если мы знаем p,q, то мы можем его вычислить сразу: b_i есть наименьшее значение бит:

Это свойство позволяет использовать BBS-генератор для работы с файлами произвольного доступа (random-access).

Число n можно распространять свободно, для того чтобы каждый абонент сети смог самостоятельно сгенерировать необходимые биты. При этом если криптоаналитик не сможет разложить на простые множители число n, он не сможет предсказать следующий бит, даже в вероятностном смысле, например, «с вероятностью 51% следующий бит равен 1».

Отметим; что генераторы, построенные на однонаправленных функциях, очень медленные, для их практической реализации необходимы специальные процессоры.

Следующие два подхода информационно-теоретический и рандомизированныйне нашли широкого практического применения.

С точки зрения информационно-теоретическогопохода самым лучшим средством в борьбе с криптоаналитиком, имеющим бесконечные вычислительные ресурсы и время, является одноразовая лента или одноразовый блокнот.

В случае рандомизированного подхода задача заключается в том, чтобы увеличить число бит, с которыми необходимо работать криптоаналитику (не увеличивая при этом ключ). Этого можно достичь путем использования больших случайных общедоступных строк. Ключ будет обозначать, какие части этих строк необходимо использовать для зашифрования и расшифрования. Тогда криптоаналитику придется использовать метод тотального перебора вариантов (грубой силы) на случайных строках.

Стойкость этого метода может быть выражена в терминах среднего числа бит, которые придется изучить криптоаналитику, прежде чем шансы определить ключ станут выше простого угадывания.

Ueli Maurer описал такую схему. Вероятность вскрытия такой криптосистемы зависит от объема памяти, доступного криптоаналитику (но не зависит от его вычислительных ресурсов).

Чтобы эта схема приобрела практический вид, требуется около 100 битовых последовательностей по 10²⁰ бит каждая. Оцифровка поверхности Луны – один из способов получения такого количества бит.

В заключение отметим, что для построения генератора ПСП необходимо получить несколько случайных бит. Наиболее простой способ ‑ использовать наименьший значимый бит таймера компьютера.

С помощью такого способа нельзя получать много бит, т.к. каждый вызов процедуры генерации бита может занимать четное число шагов таймера, что обязательно скажется на свойствах последовательности.

Самый лучший способ получить случайное число – это обратиться к естественной случайности реального мира – шумы в результате переходных процессов в полупроводниковых диодах, тепловые шумы высокомных резисторов, радиоактивный распад и т.д. В принципе, элемент случайности есть и в компьютерах:

- время дня;

- загруженность процессора;

- время прибытия сетевых пакетов и т.п.

Проблема не в том, чтобы найти источники случайности, но в том, чтобы сохранить случайность при измерениях.

Например, это можно делать так: найдем событие, случающееся регулярно, но случайно (шум превышает некоторый порог). Измерим время между первым событием и вторым, затем между вторым и третьим. Если t_1,2t_2,3, то полагаем выход генератора равным 1; если t_1,2<t_2,3, то выход равен 0. Далее процесс продолжим.

Американский национальный институт стандартов (ANSI) разработал метод генерации 64-битных ключей при помощи DES-алгоритма (ANSI X9.17). Его основное назначение состоит в получении большого количества ключей для многократных сеансов связи. Вместо DES-алгоритма можно использовать любой другой стойкий алгоритм шифрования.

Пусть функция Е _K (Р) осуществляет шифрование Р по DES-алгоритму на заранее заготовленном ключе К, который используется только для генерации секретных ключей. Пусть далее V ₀ является начальным 64-битным значением, которое держится в тайне от противника, а Т _iпредставляет собой отметку даты-времени, когда был сгенерирован i-й ключ. Тогда очередной случайный ключ R _i вычисляется с помощью преобразования:

R _i = Е _К (Е _К (Т _i ) Å V _i )

Чтобы получить очередное значение V _i , надо вычислить

V _i = Е _К (Е _К (Т _i ) Å R _i )

Существенной проблемой систем генерации случайных данных является наличие отклонений и корреляций в сгенерированной последовательности. Сами процессы могут быть случайными, но проблемы могут возникнуть в процессе измерений. Как с этим бороться?

1) Сложением по mod 2 двух независимых последовательностей:если случайный бит смещен к 0 на величину ε, то вероятность появления 0 может быть записана как P(0)=0.5+ε.

Сложение по mod 2: двух одинаково распределенных независимых бит даст: P(0)=(0.5+ε)²+(0.5-ε)²=0.5+2×ε², сложением четырех бит получим: P(0)=0.5+8 ε⁴ и т.д. Процесс сходится к равновероятному распределению 0 и 1.

2) Пусть распределение единиц и нулей в последовательности есть величины p и q соответственно. Воспользуемся методом кодирования: рассмотрим два бита:

- если это одинаковые биты, то отбросим их и рассмотрим следующую пару;

- если биты различны, то в качестве выходного значения возьмем первый бит.

Данный метод позволяет решить проблему смещения, сохранив свойства случайности источника (с некоторой потерей в объеме данных).

Потенциальная проблема обоих методов в том, что при наличии корреляции между соседними битами данные методы увеличивают смещение. Один из способов избежать этого – использовать различные источники случайных чисел.

Факт наличия смещения у генератора случайных чисел, вообще говоря, не означает его непригодность. Например, пусть для генерации 112-битного ключа для алгоритма «тройной» DES (Triple DES) используется генератор со смещением к нулю: P{x_t=0}=0.55, Р{x_t=1}=0.45 (энтропия Н=0.99277 на один бит ключа по сравнению с 1 для идеального генератора).

В этом случае нарушитель может оптимизировать процедуру тотального перебора ключей за счет поиска ключа начиная с наиболее вероятного значения (00…0) и заканчивая наименее вероятным (11…1). Вследствие наличия смещения, можно ожидать нахождения ключа в среднем за 2¹⁰⁹ попыток. Если бы смещения не было, то потребовалось бы 2¹¹¹ попыток. Выигрыш есть, но несущественный.